Elektrostatische Ontlading

Een elektrostatische ontlading is een zeer snel verschijnsel. De rijstijd van de puls is 0,7 ns, terwijl de spanning in theorie op kan lopen tot 30kV. In de praktijk wordt rekening gehouden met 8 kV. Daarnaast kan de stroom tot enkele tientallen Ampère oplopen! De snelle stijgtijd van de puls veroorzaakt daarnaast ook nog een elektromagnetisch veld dat wel door kan lopen tot 2 GHz! De lading van de ESD-puls ligt rond de 2 uC. De Ri van een ESD-puls ligt tussen de 50 en 2000 Ohm.

Beïnvloeding door ESD

ESD-Pulsen kunnen, in volgorde van voorkomen, de volgende beïnvloeding veroorzaken:

1. Resetten van producten
2. Communicatie-fouten
3. Defect gaan van elektronica

De zes effecten van statische elektriciteit

Statische elektriciteit veroorzaakt een zestal (ongewenste) effecten:

1. Vlak voor de ontlading ontstaat er een stationair veld (bijvoorbeeld 10 kV op een meter afstand: 10 kV/m) Dit is een DC-veld van kilo-Volts per meter! > Beïnvloeding van capacitieve sensoren
2. Corona effect > storingen in de korte golfband (kHz - MHz)
3. Elektrisch veld kilovolts per meter tot 2 GHz > AM-detectie
4. Magnetisch veld van Ampères per meter
5. Stroompuls > veroorzaakt schade aan elektronica doordat "spoortjes" in een IC geheel of gedeeltelijk doorsmelten
6. Spanningspuls > veroorzaakt schade aan elektronica door diëlektrische doorslag (doorslag tussen lagen in een i.c.)

Transorbs

De toepassing van een Transient Voltage Suppression (TVS) diode (Transorb) of Surge arrestor is de meest gangbare vorm van bescherming tegen ESD-ontladingen. Soms worden ook Zener-diodes toegepast. De werking van deze componenten is gebaseerd op het kortsluiten van de ESD-puls naar aarde. Op zich een eenvoudige methode maar er kleven in sommige situaties ook nadelen aan de toepassing van dit soort componenten. Transorbs, Surge arrestors of Zener-diodes zijn namelijk niet lineaire componenten (halfgeleiders). Zoals in de edutorial "De oorzaak van EMC-problemen" is besproken veroorzaken niet lineaire componenten AM-detectie met alle EMC-problemen van dien. Daar is als oplossing gegeven dat er zich geen niet-lineaire componenten aan de buiten kant van de schakeling mogen bevinden. ESD-protectie wordt echter juist helemaal aan de buitenzijde van de schakeling aangebracht. Dit werkt prima tegen ESD-puls maar veroorzaakt een nieuw probleem door AM-detectie. In de praktijk doen EMC-problemen door Transorbs zich pas voor vanaf circa 10V/m. Het hangt van de gevoeligheid van de schakeling af en of deze analoog of digitaal is. Digitale schakelingen zijn vanzelfsprekend beter tegen EMC-problemen veroorzaakt door AM-detectie bestand dan analoge schakelingen.

Condensator

In industriële omgevingen (10 V/m) maar zeker in de automotive-industrie (30 - 200 V/m) komen veel hogere velden voor. Het toepassen van niet-lineaire componenten is dan dus geen oplossing.(in elk geval niet op I/O poorten. Op voedingslijnen kunnen niet lineaire protectie devices geen kwaad, immers de gelijk gerichte RF energie zal via de gelijkrichter en afvlakking alleen maar extra ennergie opleveren  ). Wat wel een oplossing is bij I/O lijnen, is het toepassen van een condensator. De angst dat de condensator niet bestand is tegen de hoge spanning van de ESD-puls is niet gegrond. De condensator die geschikt is voor 64V is prima bestand tegen de 8.000V van een ESD-puls. In de praktijk loopt de spanning over de condensator helemaal niet zo hoog op. De "open-klem-spanning" is weliswaar 8 kV maar met een Ri van bijvoorbeeld 220 Ohm en een condensator erachter die de puls daarna naar aarde kortsluit, zal de spanning over de condensator helemaal niet opbouwen. De spanning zal opbouwen over de interne weerstand van de generator. Hierbij is het wel van belang dat de capaciteit van de condensator veel groter is dan de lading die in de ESD-puls aanwezig is zodat de volledige lading van de puls in de condensator gedissipeerd kan worden. Een simpele berekening(*1) (Q = I * t en Q = C * U) toont aan dat een condensator met een capaciteit van 10 nF al voldoende capaciteit heeft om een ESD-puls op te nemen zonder dat de spanning te hoog oploopt.
Om nog een nog grotere bescherming te realiseren kan ook een combinatie van een Surge-arrestor en een condensator worden toegepast. Het is dan wel van belang dat de condensator aan de buitenkant (dus voor de Surge-arrestor) wordt geplaatst.

EFT- en Surge-pulsen

Naast ESD komen echter ook EFT- en Surge-pulsen voor. Wat zijn de gevolgen voor de condensator voor deze pulsen. De Ri voor ETF ligt rond de 50 Ohm, dus vergelijkbaar met de Ri bij een ESD-puls. Bij een Surge-puls ligt de Ri echter rond een half Ohm. Dit is zeer gevaarlijk voor de condensator waarbij de condensator sneuvelt. Surge komt echter alleen voor op voedings- en lange I/O lijnen (bijvoorbeeld telefoonleidingen). Dus bij nagenoeg alle ingangen volstaat een condenstator. Daarnaast is er zonder meer geen probleem bij de voeding. Weliswaar treedt er AM-detectie op maar dit gaat zonder meer de voeding in en leidt niet tot verstoringen.

Conclusie

In verreweg de meeste gevallen volstaat een eenvoudige condensator om de schakeling tegen ESD-pulsen te beschermen. Alleen bij voedingsleidingen en lange I/O-lijnen kan deze condensator door Surge-pulsen beschadigd raken. Hier is een combinatie van Transorb, Surge-arrestor of Zener-diode met een condensator gewenst. De condensator dient dan aan de buitenzijde van de schakeling gemonteerd te worden. Het toepassen van deze regels leidt niet alleen tot een goedkopere maar ook tot een betere bescherming tegen ESD-pulsen aangezien er geen AM-detectie optreedt.

(*1) Als er geen weerstand tussen de condensatoren aanwezig is zal de lading zich verdelen over de twee condensatoren, naar rato van de capaciteiten. Dit betekent dat bij een generatorcapaciteit van 220pF en een ontkoppelcondensator van 10 nF de spanning over de condensator tot circa 177V oploopt. Een condensator heeft een overspanningsrating van 2,5 tot 5 keer de normale spanning voor een periode van 1 seconde. Dit betekent dat de spanning bij het laagste overspanningsniveau op circa 70V ligt. In de praktijk zal er zich echter altijd een weestand tussen de twee condensatoren bevinden (ontlaadweerstand van de ESD generator). In deze weerstand dissipeert ook een deel van de energie waardoor de spanningsopbouw nog lager zal zijn dan eerder berekend.

Terug naar overzicht